LM150 反井鉆機(jī)在礦井回風(fēng)豎井施工中的應(yīng)用

金志秀

（西山煤電建筑工程集團(tuán)礦建第二分公司， 山西 太原 030022）

引言

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，反井鉆孔在煤礦生產(chǎn)中開始逐漸廣泛應(yīng)用，采用反井鉆機(jī)可從地面向井下或井下各巷道間、煤層間施工暗立井[1-3]。采用反井鉆機(jī)施工相對(duì)于傳統(tǒng)的吊罐反井法具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。以山西某礦水平軌道下山通風(fēng)孔施工為例，對(duì)采用的LM150 反井鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)方案以及應(yīng)用效果進(jìn)行探討。

1 工程概況

山西某礦掘進(jìn)的通風(fēng)孔主要為+450 m 水平軌道下山回風(fēng)用，通風(fēng)孔下口與8 號(hào)煤層頂板相距10.5 m，8 號(hào)煤層平均厚 5.3 m，傾角 8°～15°，煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。施工的通風(fēng)孔與垂向方向有11°42′的夾角，長(zhǎng)度總計(jì)30.3m，圓形斷面，凈直徑d 為1.0m，凈斷面積S凈=0.785 m2；掘進(jìn)直徑為1.2 m、掘進(jìn)斷面積 S掘=1.13 m2，選用圓鋼筒（用 5 mm 鋼板制作）對(duì)圍巖進(jìn)行控制，在圓鋼筒與圍巖間充填厚度約100 mm 水泥漿，具體需要掘進(jìn)的通風(fēng)孔剖面見圖1所示。

2 反井鉆施工技術(shù)方案

2.1 總體技術(shù)方案

圖1 通風(fēng)孔剖面示意圖（未標(biāo)單位：mm）

1）鉆孔卸壓。根據(jù)通風(fēng)孔施工技術(shù)條件，在通風(fēng)孔上口布置卸壓鉆孔，鉆孔控制通風(fēng)孔施工外輪廓線3 m 并穿越8 號(hào)煤層底板1 m 以上；

2）圍巖加固。待卸壓鉆孔施工完畢后，采用卸壓孔對(duì)8 號(hào)煤體進(jìn)行加固，避免導(dǎo)向孔或通風(fēng)孔施工過(guò)程中煤壁出現(xiàn)片幫、垮落等問(wèn)題。注漿加固范圍為通風(fēng)孔外輪廓線3 m。

3）反井鉆機(jī)鉆進(jìn)施工。注漿加固完成后，采用型號(hào)為L(zhǎng)M150 反井鉆機(jī)施工施工導(dǎo)向孔。將反井鉆機(jī)布置在混凝土層上，從上向下開始施工導(dǎo)向孔，待導(dǎo)向孔與巷道貫通后將導(dǎo)向鉆頭更換為擴(kuò)孔鉆頭并從下到上依次完成擴(kuò)孔。LM150 型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 LM150 型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 鉆孔卸壓

在通風(fēng)孔上口位置布置5 排卸壓孔，其中第1排、第 5 排布置 3 個(gè)卸壓鉆孔，2、3、4 排均布置 5 個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑均為90 mm，終孔位置需穿過(guò)8 號(hào)煤層頂板1 m 以上。鉆孔從第1 排依次向第5 排施工，具體卸壓鉆孔布置參數(shù)下見表2，布置圖見下頁(yè)圖2。鉆孔施工時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤、巖層賦存條件進(jìn)行調(diào)整。

2.3 注漿加固

為避免反井施工時(shí)煤巖體出現(xiàn)垮塌或者片幫，利用已經(jīng)施工的卸壓孔對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的煤巖體進(jìn)行注漿加固。注漿加固控制通風(fēng)孔輪廓線外3 m 范圍，所有的卸壓孔均進(jìn)行注漿，注漿壓力約5 MPa，注漿漿液為水灰質(zhì)量比為1∶0.8 的水泥單液漿。為便于注漿泵布置在距通風(fēng)孔上口5 m 位置處，在注漿泵布置兩個(gè)容量為0.3 m3的鐵桶并在現(xiàn)場(chǎng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)比例制作注漿漿液。

表2 卸壓孔布置參數(shù)

圖2 卸壓孔布置示意圖

2.4 反井鉆機(jī)施工

2.4.1 施工前準(zhǔn)備

首選需要布置反井鉆機(jī)、通風(fēng)孔施工基礎(chǔ)（強(qiáng)度C20 的混凝土層）及其他配套的水池等，要求基礎(chǔ)、水池等布置在穩(wěn)定、風(fēng)化程度較低的巖層上[7-8]。通風(fēng)孔、反井鉆機(jī)以及操作臺(tái)基礎(chǔ)規(guī)格（長(zhǎng)×寬）分別為1.6 m×1.6 m、3.0 m×3.0 m、7.0 m×1.5 m，布置的水池池體長(zhǎng)×寬×深=3 m×2 m×寬1.8 m。待基礎(chǔ)施工完畢后，應(yīng)立即進(jìn)行硬化。硬化后的基礎(chǔ)應(yīng)平整，以便反井鉆機(jī)安裝以及正常運(yùn)行。

2.4.2 導(dǎo)向孔施工

在導(dǎo)向孔施工鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)8 號(hào)煤層進(jìn)行必要的處理。并對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中返渣進(jìn)行觀察。待導(dǎo)向孔施工至8 號(hào)煤層時(shí)降低鉆孔施工速度并增加循環(huán)量，將導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)片落的煤體沖洗干凈，方可繼續(xù)鉆進(jìn)。整個(gè)過(guò)程持續(xù)到導(dǎo)向孔與下方軌道下山回貫通。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)破碎煤巖體通過(guò)循環(huán)鉆井液攜帶出鉆孔。

導(dǎo)向孔施工施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)做好以下安全措施：

1）鉆機(jī)司機(jī)必須注意力高度集中，正常運(yùn)轉(zhuǎn)下嚴(yán)禁將鉆機(jī)反轉(zhuǎn)隨時(shí)觀察鉆機(jī)的運(yùn)行情況，如有異常則必須停機(jī)檢查。

2）鉆機(jī)操作工經(jīng)常觀察液位計(jì)，液面高度不足油箱的80%時(shí)，應(yīng)向油箱內(nèi)加油。鉆機(jī)開鉆前對(duì)使用過(guò)的鉆桿均應(yīng)進(jìn)行探傷檢驗(yàn)和螺紋檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重應(yīng)嚴(yán)禁使用，以防發(fā)生鉆桿斷裂事故。

3）施工時(shí)在延接鉆桿前必須清洗連接螺紋，并均勻涂抹專用螺紋油，拆卸下的鉆桿應(yīng)及時(shí)戴上螺紋防護(hù)帽。

4）鉆機(jī)施工到煤層時(shí)，先導(dǎo)孔采用高壓水排渣，擴(kuò)孔采用噴淋降塵，當(dāng)鉆進(jìn)到煤層時(shí)，密切注意便攜瓦檢儀的讀數(shù)，一但瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8%，人員立即撤出，停機(jī)停電并向礦調(diào)度報(bào)告。

5）開孔鉆進(jìn)剩10 m 時(shí)，鉆機(jī)組施工人員需在導(dǎo)孔下口距導(dǎo)通點(diǎn)10 m 范圍以外設(shè)好警戒，禁止任何人進(jìn)入。

2.4.3 導(dǎo)向孔擴(kuò)孔

導(dǎo)向孔與軌道下山回貫通后，將導(dǎo)向鉆頭更換成擴(kuò)孔鉆頭，擴(kuò)孔鉆頭可一次性完成1 200 mm 通風(fēng)孔鉆進(jìn)。導(dǎo)孔鉆透安裝擴(kuò)孔鉆頭前，必須檢查并撬除下口巷道頂部的浮巖活石，以防頂板落石傷人。當(dāng)安裝好擴(kuò)孔鉆頭后，應(yīng)緩慢提升鉆具，當(dāng)滾刀與巖石接觸時(shí)開始停止鉆具提升并以5～9 r/min 鉆速旋轉(zhuǎn)，從而確保反井鉆機(jī)刀頭不會(huì)由于受到較大沖擊而出現(xiàn)損壞并確保擴(kuò)孔口附近巖體穩(wěn)定，待刀齒將周邊巖層完全破碎掉后方可繼續(xù)緩慢鉆進(jìn)。在導(dǎo)向孔擴(kuò)孔初期，在擴(kuò)孔周邊安全位置應(yīng)安排專人進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)異常后立即向操作臺(tái)匯報(bào)停止擴(kuò)孔。為了提升反井鉆機(jī)機(jī)體及滾刀使用壽命，一般將給進(jìn)壓力控制在15 MPa 以內(nèi)。

導(dǎo)向孔擴(kuò)孔時(shí)從下到上進(jìn)行，當(dāng)擴(kuò)孔至8 號(hào)煤層及煤層影響帶附近時(shí)應(yīng)降低鉆進(jìn)速度，待通過(guò)煤層后再提升至正常鉆進(jìn)速度。當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔深度達(dá)到27.3 m 位置即鉆頭與反向鉆機(jī)基礎(chǔ)間距3.0 m時(shí)，應(yīng)降低擴(kuò)孔鉆進(jìn)壓力以及速度，并認(rèn)真觀察反向鉆機(jī)基礎(chǔ)及周邊是否出現(xiàn)異常，若有異常應(yīng)立刻停止施工并采取應(yīng)對(duì)措施；若無(wú)異常時(shí)則緩慢擴(kuò)孔直至擴(kuò)孔出底板巖層。

導(dǎo)向孔擴(kuò)孔時(shí)破碎的煤巖體靠自重直接落到軌道下山內(nèi)，將掉落的煤巖體采用耙斗機(jī)、配合礦車通過(guò)軌道運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送到地面。

2.4.4 圍巖控制

采用圓筒對(duì)通風(fēng)孔圍巖進(jìn)行控制，如圖1 所示，圓筒采用直徑5 mm 鋼板加工制作而成，每節(jié)圓筒凈直徑為1 m、長(zhǎng)度為1.5 m。當(dāng)反井鉆機(jī)完成對(duì)導(dǎo)向孔擴(kuò)孔后，采用4 個(gè)規(guī)格為Φ22 mm×2 600 mm 高強(qiáng)鋼錨桿將下鎖口框固定到通風(fēng)孔位置，并在通風(fēng)孔鎖口框位置安裝安裝天輪用于圓筒下防。每節(jié)圓筒間采用插接連接，待圓筒安裝完畢后采用水泥漿進(jìn)行加固填充、填充層厚度在100 mm 左右。

圖3 支護(hù)用圓筒示意圖（單位：mm）

3 應(yīng)用效果分析

3.1 節(jié)省排水及通風(fēng)設(shè)備

在反井鉆機(jī)施工過(guò)程中不需要布置臨時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)，采用原有的通風(fēng)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)孔施工用風(fēng)需要。同時(shí)通風(fēng)孔施工過(guò)程中的涌水經(jīng)過(guò)下部的軌道下山可直接排出，不需要布置專用的排水設(shè)備。

3.2 施工效率高

傳統(tǒng)的施工中破巖、裝巖以及支護(hù)等各工序耗時(shí)長(zhǎng)，從而制約了整個(gè)施工效率。在通風(fēng)孔施工過(guò)程中采用反井鉆機(jī)施工，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的煤巖屑通過(guò)循環(huán)液排出，擴(kuò)孔時(shí)產(chǎn)生的巖屑則通過(guò)耙矸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至礦車中直接運(yùn)輸。反井鉆機(jī)施工中有效解決了傳統(tǒng)立井掘進(jìn)排矸困難問(wèn)題，同時(shí)采用圓筒+注漿方式提高圍巖支護(hù)效率。整個(gè)通風(fēng)孔施工耗時(shí)15 d完成，較傳統(tǒng)的立井掘進(jìn)技術(shù)縮短了約20 d。

3.3 圍巖支護(hù)強(qiáng)度高

采用反井鉆機(jī)施工通風(fēng)孔時(shí)對(duì)井壁圍巖擾動(dòng)、破壞較小，從而有利于提升通風(fēng)孔井壁質(zhì)量。同時(shí)采用鋼板制作的圓筒+注漿形成的鋼板混凝土井壁可顯著提升井壁承載能力及防水能力。

4 結(jié)論

1）施工卸壓孔可在一定程度上釋放圍巖應(yīng)力，降低反井鉆機(jī)施工難度；

2）將卸壓孔兼作注漿孔對(duì)圍巖進(jìn)行加固，可避免反井鉆施工中井壁塌孔問(wèn)題；

3）根據(jù)通風(fēng)孔現(xiàn)場(chǎng)條件詳細(xì)對(duì)反井鉆施工方案、施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)；

4）采用反井鉆施工后，通風(fēng)孔耗時(shí)15 d 掘進(jìn)完成，較傳統(tǒng)的立井施工技術(shù)耗時(shí)縮短20 d 以上。